跨声速涡轮叶栅气膜冷却特性数值研究

摘要

气膜冷却技术是燃气涡轮发动机涡轮叶片冷却技术中应用最广泛的技术之一。随着单级涡轮压比的增加，涡轮叶片间的流动逐步转变为跨声速，甚至达到超声速。在跨声速和超声速条件下的涡轮叶片气膜冷却成为一个急需解决的迫切问题。
　　本文首先针对涡轮叶栅的亚声速、跨声速和超声速气膜冷却问题开展了二维数值模拟，分别研究了气膜孔倾角、吹风比及气膜孔位置等对冷却效率的影响。研究结果表明：在亚声速和跨声速条件下，气膜孔位置及倾角对吸力面叶栅的气膜冷却效率并无明显影响。吹风比是影响叶栅冷却效率的最主要因素，随着吹风比的增加叶栅冷却效率提高，但达到某一数值后逐渐趋于平缓。在超声速条件下，吹风比仍然是影响冷却效率的最主要因素，冷却效率随吹风比的变化趋势与亚声速条件时相似。所不同的是，在较大吹风比条件下，气膜孔倾角对冷却效率的影响逐步凸显，不同气膜孔倾角冷却效率差异较大，表现为在气膜孔下游随着入射角的增加冷却效率呈上升趋势。其次开展了涡轮叶栅三维数值模拟，分析了不同气膜孔形状、不同气膜孔间距、不同主流压比及不同冷气入射角对气膜冷却效率的影响。研究结果表明圆形孔冷却效率较方形孔偏低，长宽比大的方形孔可获得更好的冷却效果。圆形孔出口下游的冷却效率迅速降低，而后趋于平缓，而孔间距为2时方形孔出口下游冷却效率下降趋势较为缓慢；孔间距的减小会提高气膜孔下游的冷却效率；叶栅冷却效率随着主流压比的增加而呈下降趋势；对于不同的冷气入射角，圆孔和长宽比为2:1方孔具有相似的变化规律，均呈现气膜孔下游冷却效率急剧下降，后趋于平缓，入射角度对冷却效率影响较小；长宽比为3:1方孔和长宽比为4:1方孔对冷气入射角的敏感度也较低，冷却效率随入射角的变化并无明显规律特性。

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 跨声速涡轮叶栅气膜冷却的研究现状

1.3 超声速气膜冷却研究分析及现状

1.4 本文的主要研究工作

第二章 跨声速涡轮叶栅气膜冷却的数值计算方法

2.1 基本控制方程

2.2 湍流模型

2.3 网格划分与独立性试验

2.4 参数定义

第三章 二维叶栅亚声速、跨声速和超声速气膜冷却特性分析

3.1 二维叶栅流场分析

3.2 二维亚声速气膜冷却特性分析

3.3 二维叶栅跨声速气膜冷却特性分析

3.4 二维叶栅超声速气膜冷却特性分析

3.5 小结

第四章 三维形状孔超声速气膜冷却特性研究

4.1设计落压比计算方法

4.2 三维气膜孔模型

4.3 三维气膜孔出口形状对冷却特性影响

4.4 气膜孔间距对冷却特性的影响

4.5 主流压比对气膜冷却效率影响

4.6 入射角度对气膜冷却效率影响

4.7 小结

第五章 结论与展望

5.1 本文研究结论

5.2 下一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文